RTEMS任務級別調(diào)試技術研究
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調(diào)試一直是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難題。開發(fā)者往往直接面對嵌入式開發(fā)硬件進行開發(fā)，就算目標嵌入式環(huán)境中引入了操作系統(tǒng)，其功能通常也有一定的限制，不能方便地進行調(diào)試。而且，引入嵌入式操作系統(tǒng)的過程中的調(diào)試問題也很棘手。遠程調(diào)試是解決此類問題的首選方案。
RTEMS操作系統(tǒng)是當今應用廣泛的開源實時操作系統(tǒng)。本文將以RTEMS操作系統(tǒng)為討論背景，介紹RTEMS操作系統(tǒng)環(huán)境下，如何使用GDB來完成系統(tǒng)的任務級調(diào)試工作。
1 RTEMS操作系統(tǒng)簡介
RTEMS，即實時多處理器系統(tǒng)(Real Time Executivefor Multiprocessor Systems)，是一個開源的實時嵌入式操作系統(tǒng)。它最早用于美國國防系統(tǒng)，現(xiàn)在它在航空航天、軍工及民用領域都有著廣泛的應用。
從結構上來看，RTEMS是微內(nèi)核搶占式實時系統(tǒng)。圖1顯示了RTEMS操作系統(tǒng)的基本結構。圖中白色部分為RTEMS操作系統(tǒng)的硬件支持部分(Board SupportPackage)，它包括了硬件抽象代碼、硬件設備驅動代碼和操作系統(tǒng)啟動代碼?；疑糠譃镽TEMS內(nèi)核以及系統(tǒng)提供給應用程序的API。在具體應用場景中，圖中所有系統(tǒng)模塊都被編譯成一個靜態(tài)連接庫，用戶編寫的應用程序和RTEMS庫靜態(tài)鏈接成一個整體，形成運行在目標環(huán)境的鏡像文件。應用程序只將需要的系統(tǒng)支持模塊鏈接進來，最大程度地縮小了可執(zhí)行鏡像的大小。
此外，RTEMS十分簡潔，力求實時性。它不支持虛擬內(nèi)存，整個系統(tǒng)內(nèi)核以及應用程序運行在共同的平板內(nèi)存空間之上。因此，RTEMS鏡像文件的運行可以看作是一個大型的、處理時鐘中斷的裸板程序。
2 GDB遠程調(diào)試
GDB全稱GNU symbolic debugger。在大多數(shù)情況下，在UNIx或者Linux環(huán)境下使用GDB調(diào)試本機程序，GDB通過waitpid、ptrace等系統(tǒng)調(diào)用對被調(diào)試進程進行監(jiān)查和控制。這種調(diào)試模式很常見，但它只是GDB調(diào)試的一種特殊情況：GDB本身的運行環(huán)境和被調(diào)試程序的運行環(huán)境恰巧是同一個。在有些情況下，被調(diào)試程序運行環(huán)境下可能無法方便地運行GDB，那么遠程調(diào)試就會派上用場。
2．1 遠程調(diào)試中程序的交互途徑
如圖2所示，GDB和被調(diào)試程序運行于不同的環(huán)境中。在GDB加載了和被調(diào)試程序對應的調(diào)試信息之后，用戶可以通過它對被調(diào)程序進行源代碼級調(diào)試。用戶向GDB下達調(diào)試命令，GDB將用戶的調(diào)試命令翻譯、打包，通過串口或者網(wǎng)絡接口發(fā)送至被調(diào)試程序端的GDB―SERVER。GDB―SERVER將接收到的調(diào)試命令包解包，并將其表達的調(diào)試命令實施于被調(diào)試程序。如果需要，還應將命令執(zhí)行結果通過遠程通信返回給GDB端。
2．2 GDB與GDB―SERVER
GDB和GDB―SERVER之間的數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)男畔⒆裱璆DB Remote Serial Protocol。它是一種簡潔的、基于ASCII的協(xié)議。每一個RSP報文由ASCII符號“$”開頭，由“#”將報文內(nèi)容和兩個字節(jié)的報文校驗隔開，如下所示：
接收方對報文進行校驗，如果校驗成功，回復ASCII字符“+”，否則回復“一”。
通過RSP傳輸?shù)拿罘N類很多，比較常用的羅列于表1中。當用戶使用GDB遠程調(diào)試程序時，GDB將用戶的命令翻譯成若干條RSP命令的序列下達給GDB―SERVER。GDB―SERVER對命令進行實施，并回復運行結果。作為一個能實現(xiàn)基本調(diào)試功能的GDB―SERVER，至少需要實現(xiàn)表1中列出的命令。
2．3 GDB―SERVER與被調(diào)試程序
GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式就比較靈活了，在沒有虛擬內(nèi)存管理的環(huán)境中可以使用指針直接訪問被調(diào)試程序的內(nèi)存，而在引入了嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境中可以使用系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。GDB―SERVER是GDB調(diào)試命令的實施者，依照GDB的調(diào)試基本需求，GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式只要能夠完成表1中列出的操作就可以了。
3 傳統(tǒng)STUB調(diào)試模式概述
GDB―STUB是嵌入在被調(diào)試程序中的小段程序，它肩負了和GDB通信并執(zhí)行GDB調(diào)試命令的重任。可以說GDB―STUB是輕量級的GDB―SERVER。它代碼量很少，在RTEMS啟動初始化階段，將它以軟中斷處理程序的身份嵌入到RTEMS之中，成為RTEMS的一部分。當被調(diào)試程序運行到這個特殊的軟中斷時，STUB程序獲得運行的權力，和GDB進行遠程通信，執(zhí)行調(diào)試命令，直到收到被調(diào)試程序繼續(xù)執(zhí)行的命令，STUB恢復被調(diào)試程序的執(zhí)行，如圖3所示。
由于它和被調(diào)試程序融為一體，所以它可以直接訪問被調(diào)試程序的內(nèi)存地址，查詢或者修改被調(diào)試程序內(nèi)存空間的值。
此方法將RTEMS系統(tǒng)看作一個嵌入式裸板程序，可以在源碼級別對整個RTEMS系統(tǒng)進行調(diào)試。可以想象，此時GDB根本不知道被調(diào)試程序是一個操作系統(tǒng)，一旦STUB獲得了執(zhí)行機會，整個RTEMS系統(tǒng)進入暫停狀態(tài)，無論系統(tǒng)中運行的是應用還是系統(tǒng)內(nèi)核本身。而調(diào)試系統(tǒng)本身遠遠沒有調(diào)試系統(tǒng)中應用程序的需求量大，在調(diào)試應用的時候，希望只是被調(diào)試的任務暫停，系統(tǒng)中其他任務不受我們調(diào)試行為的影響。下文將介紹RTEMS任務級別的GDB遠程調(diào)試方法。
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